高壓變頻器在水泵改造中的應用

彭學超　潘　彬

荊門市供水總公司

高壓變頻器在水泵改造中的應用

彭學超潘彬

荊門市供水總公司

介紹了高壓變頻器在恒速水泵節(jié)能改造中的應用。改造后能夠滿足全天供水量的頻繁變化與調(diào)節(jié)，可確保恒壓供水。通過與改造之前的運行單耗比較，證實變頻改造的節(jié)能效果顯著，同時提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性。

高壓變頻；恒壓供水；節(jié)能降耗

荊門市供水總公司第三水廠是城區(qū)主供水廠，日供水10萬t。擁有三臺500 kVA的大型送水泵機。1號機組額定電壓690 V，通過ACS 600變頻柜實現(xiàn)變頻運轉(zhuǎn)，最大供水能力3 800 m3/h。2號和3號機組額定電壓10 kV，工頻恒速運行，供水能力為單臺4 000 m3/h。正常運行過程中，為了控制供水管網(wǎng)壓力，防止爆管，采用變頻泵加工頻泵配合使用的方式進行恒壓供水。

由于現(xiàn)有1號變頻設(shè)備已運行18年，元器件老化，且部分零配件調(diào)貨周期較長，可靠性嚴重下降。若出現(xiàn)意外故障，水廠將無備用變頻機組對供水流量進行精確調(diào)節(jié)，只能通過手動調(diào)節(jié)輸水管蝶閥開啟程度的方式來控制出水流量，這樣勢必造成能量損失，在實際運行中浪費大量能源。為避免影響供水安全，同時考慮到節(jié)能降耗的問題，我司決定對2號工頻泵機組進行變頻改造，使設(shè)備優(yōu)化運行，降低維護成本，減少電能消耗。

1　可行性分析

根據(jù)交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式：

式中：s為轉(zhuǎn)差；p電機極對數(shù)；?——電機運行頻率。

可知，對于我司現(xiàn)有設(shè)備而言，轉(zhuǎn)差和極對數(shù)均為電機的固有屬性，不易改變。若需實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，達到節(jié)能降耗目的，從電機運行頻率上著手較為容易。考慮到設(shè)備的實際運行需求，頻率值在35～50 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)比較合適。

根據(jù)流體動力學的基本定律，在管網(wǎng)阻力特性不變的情況下，離心式水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力（揚程）H以及軸功率P滿足如下關(guān)系：

也就是說，當轉(zhuǎn)速下降至50%時，流量Q將隨之下降至50%，揚程H將下降至25%，功率P將下降至12.5%，理論上的節(jié)能效果是非常可觀的。

圖1　水泵的運行曲線圖

現(xiàn)從水泵的運行曲線圖（圖1）來分析不采用變閥調(diào)節(jié)，而采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

當水泵運行在工況點A時，流量為Q1，壓力為H1，其軸功率P1與面積Q1×H1成正比，如果水泵速度不變，采用變閥調(diào)節(jié)，則管網(wǎng)阻力增加，管網(wǎng)特性曲線上移，水泵的運行工況點從A點移到B點，所需軸功率P2與面積Q2×H2成正比。同時也可以看到Q1×H1與Q2×H2相比，其所需軸功率并無太大的變化；如果改用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式，水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但水泵的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積Q2×H3成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Δ(P)與（H2-H3）×Q2的面積成正比。

經(jīng)過幾種變頻模式的綜合調(diào)研比較，我司選用了基于功率單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)的變頻系統(tǒng)。它采用內(nèi)部接線，在現(xiàn)場只需串聯(lián)在原有的高壓開關(guān)柜和高壓電機之間即可，避免了對高壓電機的二次投資改造。該變頻系統(tǒng)輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，每相由8個功率模塊串聯(lián)組成，具有17個電平等級，經(jīng)過波形疊加，無需濾波裝置即可輸出畸變較小的正弦電流和電壓波形，對原有的異步電機和連接電纜沒有特殊的要求，具有軟起動功能，可確保電機安全、穩(wěn)定運行。

2　系統(tǒng)介紹

本次改造的系統(tǒng)主回路控制如圖2所示，由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3和高壓開關(guān)QF、電動機M組成。要求QS2和QS3之間存在機械互鎖邏輯，不能同時閉合。變頻運行時，QS3斷開，QS1和QS2閉合；工頻運行時，QS1和QS2斷開，QS3閉合。高壓開關(guān)QF、電動機M為現(xiàn)場原有2號工頻電機。

改造時，將高壓變頻器U串聯(lián)進現(xiàn)有高壓開關(guān)柜（輸出母線）與高壓電機之間，正常工作時采用變頻回路，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS1和QS2斷開，QS3閉合，采用原有的工頻啟動方式。

高壓變頻器U則由變壓器柜、功率單元柜及控制柜組成。示意如圖2（圖中n表示模塊串聯(lián)的級數(shù)）。

變壓器柜將輸入的10 kV工頻電通過移相變壓器的多組抽頭轉(zhuǎn)換成獨立的低壓工頻電輸出，每個功率單元模塊分別由移相變壓器的一組副邊進行供電。功率柜中各功率單元模塊為基本的交-直-交單相低壓變頻器，由二極管三相全橋進行全波整流，并通過模塊內(nèi)部4個IGBT的開關(guān)完成逆變工作。每個單元模塊的U、V輸出端子相互串聯(lián)成星型接法，通過對各個單元的PWM波形進行疊加重組，獲得畸變較小的正弦波輸出。控制柜內(nèi)的主控箱則從人機界面或PLC接收控制指令，產(chǎn)生24個功率單元中IGBT的觸發(fā)脈沖信號，同時在人機界面上進行狀態(tài)顯示，通知PLC實施系統(tǒng)保護。

圖2　系統(tǒng)主回路

3　改造過程中涉及的問題及改善措施

（1）在準備階段，考慮到水廠配電室內(nèi)有部分空閑場地，但空間尺寸稍偏窄。于是我方向廠家提出能否將柜體長度減少0.5 m的要求。經(jīng)過廠家評估，對變頻柜內(nèi)的設(shè)備布局進行了優(yōu)化調(diào)整。滿足了我方要求，節(jié)省了二次基建的相關(guān)費用。

（2）設(shè)備在運行過程中曾報光纖通訊故障，導致設(shè)備停運。后分析原因為出廠時將光纖頭綁扎過緊，彎角的曲率半徑太小，導致通訊故障。廠家技術(shù)人員隨后將所有光纖進行了更換。

（3）在夏季供水高峰時期，干式變壓器溫度較高。為安全穩(wěn)定運行，在原風道開放式散熱方式的基礎(chǔ)上，增加了一臺5P空調(diào)輔助降溫。

圖3　高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

4　變頻改造效果分析

（1）降低了啟動沖擊電流

原2號泵機未添加軟啟動器，額定電流為35 A，采用直接啟動的方式。啟動瞬時沖擊電流可達320A，廠內(nèi)電網(wǎng)瞬時波動和轉(zhuǎn)軸本身承受的機械沖擊較大。而變頻啟動從0 Hz開始運行，且啟動加速時間可自行調(diào)節(jié)，啟動過程中基本無沖擊電流出現(xiàn)。該運行工況的改善，有效減輕了對電機主軸、葉輪的機械應力，可適當延長部分零配件的使用壽命。

（2）節(jié)能降耗效果顯著

以下為3水廠2號水泵變頻改造前后的能耗數(shù)據(jù)對比（6個月的平均值）

?

根據(jù)近12個月該泵機實際運行時間計算（累計6 310 h），改造后的設(shè)備節(jié)省電耗744580kWh。按0.723元/kWh計算，一年可節(jié)約電費53.8萬元。

（3）減輕了操作工的工作強度

由于該變頻系統(tǒng)使用Modbus Tcp協(xié)議實現(xiàn)了與上位機的互聯(lián)通訊，操作工在接到調(diào)度指令后，可直接在值班室的觸摸屏上設(shè)置管網(wǎng)壓力值，由變頻器本身來對轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。改進了以往必須到機旁調(diào)節(jié)閥門開度的操作方式。大大縮短了反應時間，降低了勞動強度，提高了工作效率。

6　結(jié)語

經(jīng)過近兩年的實際運行效果證實，這次高壓工頻水泵的節(jié)能改造達成了預期的效果。不僅可與原1號變頻機組互為備用，靈活調(diào)度，確保了恒壓穩(wěn)定供水，還改善了泵機的運行工況，極大的降低了水廠的日常運行費用，保障了安全優(yōu)質(zhì)供水需求。

INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動態(tài)

青浦新材料產(chǎn)業(yè)基地發(fā)展成果顯著

《第18屆中國國際工業(yè)博覽會新材料產(chǎn)業(yè)展》組織的新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇傳出信息，自2015年2月，青浦區(qū)獲批國家工信部“新材料國家新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地”后，經(jīng)多方共同努力，基地已初步形成六個新材料特色產(chǎn)業(yè)鏈：以上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司為代表的有機高分子新材料研發(fā)及制造；以美國英威達纖維為代表的功能性纖維新材料研發(fā)及制造；以上海華源復合新材料有限公司為代表的金屬功能性結(jié)構(gòu)性新材料研發(fā)及制造；以上海晶盟硅材料有限公司為代表的光電、電子新材料研發(fā)及制造；以上海西氏醫(yī)藥包裝材料有限公司為代表的生物材料和節(jié)能環(huán)保材料產(chǎn)業(yè)；以力諾太陽能為代表的新能源材料產(chǎn)業(yè)。“十三五”期間，基地將從主導產(chǎn)業(yè)集群階段向創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展階段邁進，重點推進新型纖維材料和功能紡織面料的研發(fā)及應用，加快推進納米材料、生物材料、智能材料（智能服裝）、超導材料等前沿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；著力將改性塑料聯(lián)盟和高分子新材料創(chuàng)新熱點培育為國際先進的高分子新材料評測和轉(zhuǎn)化基地。

（徐君）

High Voltage Frequency Converter Application in Pumps Renovation

Peng Xuechao, Pan Bin
Jingmen Water Supply Head Office

The article introduces high voltage frequency converter application in pumps energy conservation renovation. Pumps could meet frequent changes and adjustment of all day water supply quantity and ensure constant pressure water supply after renovation. Comparing with energy consumption before and after renovation, the results shows that frequency converter renovation has outstanding energy conservation effect and improve safe stability of equipment and system.

High Voltage Frequency Converter, Constant Pressure Water Supply, Energy Saving and Consumption Reducing

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.11.009

彭學超：男，計算機專業(yè)，本科，副總工程師。

潘彬：男，控制工程碩士，助理工程師。